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激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究中文提要 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 中文提要 工程中广泛存在着多冲载荷下服役的零构件；在多冲这种动载应力波 作用下的零部件大都在多冲的接触表面出现或引发各种缺陷并导致早期 损伤失效。本研究采用激光熔覆技术在多冲试样表面制备新型抗多冲涂 层，同时进行激光涂层的多冲实验与研究，以提高零部件表面抗多冲性 能，延长零部件抗多冲服役寿命。 利用自制的多冲碰撞试验机，对在l c r l s n i 9 t i 、4 5 钢、4 0 0 r 基体上 激光熔覆钴基、镍基以及铁基合金涂层的试样进行了多冲试验，利用自 制内窥镜进行在线动态跟踪宏观监测，利用t e m _ h 一6 0 0 2 、s e m s 一5 7 0 型电镜、o l y m p u sg x 5 1 f 金相显微镜等仪器对激光熔覆涂层进行了微观 检测，分析其多冲损伤失效的原因，并对其失效影响因素进行了综合研 究；采用冲击动力学理论分析了试样在多冲下的动态响应；及使用有限 元软件对多冲试样及典型的阀门零件进行力学响应分析。 多冲载荷作用下，试样中的应力波随传播的长度变化而变化，这种变 化呈一种指数的衰减形式；多冲载荷在试样中产生的压缩应力波，在全 覆盖涂层试样的冶金结合面发生反射，形成拉伸波；在部分覆盖涂层试 样的冶金结合面发生反射形成拉伸波还是压缩波则还要由涂层和基体的 相对面积大小决定。试验结果表明，多冲载荷下涂层试样的损伤与失效 t 中文提要激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学晌应研究 主要发生在涂层表面，表现有涂层表面疲劳磨损( 包括点蚀、剥落和片 蚀) 、裂纹( 包括涂层横断裂纹、涂层边缘裂纹、突变界面裂纹及基体热 影响区裂纹) 、试样的多冲硬化和软化。利用有限元建立了在不同载荷水 平下、不同涂层一基体配对情况下、涂层不同覆盖形式下的力学模型； 分析结果表明：f e 基涂层应变较n i 基的大；载荷的线性增加也伴随着 应力应变的线性增加；在相同应力下，同种材料的分析中，部分覆盖形 式试样的变形量小于全覆盖形式试样，而其最大应力则大于全覆盖形式。 关键词：激光熔覆涂层多冲载荷力学响应有限元 i i 作者：张金平 指导教师：石世宏 ! 堕! ! 竺! s t u d y o ft h ed a m a g ef a i l u r ea n dm e c h a n i c a lr e s p o n s e o ft h el a s e rc o a tu n d e rr e p e a t e di m p a c t a b s t r a c t t h e r ea r em a n yc o m p o n e n t sw h i c ha r ew o r k i n gu n d e rt h er e p e a t e di m p a c t l o a di np r o j e c t a l lk i n d so fd e f e c t sa p p e a ri nt h es u r f a c eo fc o m p o n e n t sw h i c h u n d e rt h er e p e a t e di m p a c tl o a d ，a n dt h es u r f a c ed e f e c t sm a k et h ee a r l i e r d a m a g ea n df a i l u r e t h er e s e a r c ha d o p t sl a s e rc l a d d i n gt om a k ean e w c o a to n t h es u r f a c eo ft h ec o m p o n e n t ，w h i c hc a ne n h a n c et h es u r f a c e sc a p a b i l i t yo f r e s i s t i n gr e p e a t e di m p a c ta n de x t e n dt h es e r v i c el i f e t h e r ea r er e p e a ti m p a c te x p e r i m e n t so ns e l f - m a d er e p e a t e di m p a c tt e s t i n s t r u m e n tw i t h s a m p l e s w h i c ha r el a s e rm e l tc o - b a s e d ，n i b a s e da n d f e b a s e do n1c r l8 n i 9 t is t e e l s 4 5s t e e l sa n d4 0 c rs t e e l sb a s e s c a r r yo u tt h e f a i l u r e a n a l y s e s w i t ht e m - h 一6 0 0 2 、s e m s 一5 7 0 、o l y m p u sg x 51f m i c r o s c o p ei n s t r u m e n t s ，a n da n a l y z i n g f a i l u r e i n f l u e n c i n g f a c t o r s t h e d y n a m i cr e s p o n s e o ft h es a m p l e si ss t u d i e dw i t ht h et h e o r yo fi m p a c t d y n a m i c s t h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h es a m p l e s i sa n a l y z e dw i t hf e m t h es t r e s sw a v ei nt h es a m p l ew i l lc h a n g ew i t ht h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c e i t i sr e d u c e db ya ne x p o n e n t i a lf o r m t h ec o m p r e s s i v es t r e s sw a v ew i l lc h a n g e i n t ot e n s i l es t r e s sw a v eo nt h ec o m b i n e di n t e r f a c ，eo fs a m p l ew i t hf u l lc o a t w h e ni ti sr e f l e c t e d i ti sc o n c e m e dw i t ht h er e l a t i v ea r e ao ft h eb a s ea n dc o a t t h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e s sw a v ew i l lc h a n g ei n t oe i t h e rt e n s i l es t r e s sw a v eo r c o m p r e s s i v es t r e s sw a v e w h e ni ti sr e f l e c t e di nt h es a m p l ew i t hp a r tc o a t i ti s s u g g e s t e dt h a t t h ed a m a g ea n df a i l u r eo c c u r r e do nt h es u r f a c eo ft h ec o a t p r i m a r i l y ，w h i c hi sf a t i g u ew e a r ( i n c l u d e dc o r r o s i v ep i t t i n g ，c o l l a p s ea n ds h e e t e r o s i o n ) ，c r a c k l e a n dh a r d e n e do rs o f t e n e d t h em e c h a n i c a lm o d e l sa r e i i i b s t r a c t e s t a b l i s h e dw i t hf e mu n d e rv a r i e d1 0 a d s v a r i e dm a t e r i a l so fc o a ta n db a s e v a r i e dc o v e r e df o r m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r a i n i nt h es a m p l eo f f e b a s e dc o a ti sl a r g e rt h a no fn i b a s e dc o a t t h ed e f o r m a t i o no ft h es a m p l e w i t hf u l lc o a ti sl a r g e rt h a nt h a to ft h es a m p l ew i t hp a r tc o a tu n d e rt h es a m e l o a da n ds a m em a t e r i a l s ，b u tt h em a x i m u ms t r e s si nt h es a m p l ew i t hf u l lc o a t i ss m a l l e rt h a nt h a ti nt h es a m p l ew i t hp a r tc o a t k e y w o r d s ： l a s e rc l a d d i n g ，r e p e a t e di m p a c tl o a d ，m e c h a n i c a lr e s p o n s e ，f e m w r i t t e nb yz h a n gj i n p i n g s u p e r v i s e db ys h is h i h o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 j , i 、i 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：日期：y d 厂 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影e 1 j 、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：耋整垒玺 日 别磁辄缚日 飘：d 。! 期：逸旦丘 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第一童绪论 1 1 引言 第一章绪论 在工程中广泛存在着多次冲击碰撞载荷下工作的零构件。如发动机气缸排气阀， 模具凹凸模，各类控制阀、泵，凿岩机活塞、钎杆，风动工具，刀具剪口等。其碰撞 接触表面容易出现各种形式的损伤，严重时将导致机件失效。这些零构件一般都是机 器中的重要关键件，除本身价值昂贵以外，其失效后由于检修、停产而带来的间接经 济损失往往更为巨大。例如某氮肥厂仅甲氨生产线每年就要因多冲失效而报废上百台 价值几千元台的进、排液阀。不仅于此，每次更换或维修阀门时都要停产一天，并 放掉约半吨的中间产品甲氨。再如某大型铝业集团每年因多冲造成各类泵、阀失效引 起的直接和间接经济损失就达几千万元。鉴于此，有关厂家不惜高代价来寻求有效的 方法以提高这类关键零构件的表面强度。由于许多采用传统强化工艺不能达到目的， 故很多单位采用昂贵的整体材料；增加备品数量，频繁更换失效的零构件；采用国外 进口；有的还在系统设计中增加并联的部件或设备台套数等。正因为多冲失效在国民 经济各生产部门中广泛地存在，所以探讨这种失效的发生、机理、影响因素和控制方 法，寻求有效的方法来强化或修复此类零部件的表面，从而提高其使用寿命、降低生 产成本、提高系统的可靠性和安全性有着重要的意义。 1 2 多冲载荷的特点及其研究状况 1 2 1 多冲载荷的特点 本文研究的多冲是碰撞应力小于材料的屈服强度，且运动方向垂直于多冲接触表 面的载荷，其运动形式呈现为反复接触碰撞一分离的特点。 工程中许多机器零件和构件是在多冲载荷作用下工作的。人们注意到在多次冲击 载荷下服役的零件，除了疲劳断裂，更为普遍的失效部位是零件的表面。多冲载荷明 显的不同于其它载荷，其特点表现为：( 1 ) 多冲载荷的特性表现为应力在材料内部以 第一意绪论激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 波的形式高速传播，对于有限尺寸的零件，这种波很快便可达到其表面，一部分成为 透射波，传出零件表面：一部分成为反射波，并在零件内产生叠加现象，形成很复杂 的应力，对于多冲载荷下零件的寿命产生很大的影响。( 2 ) 冲击加载点位置效应。 由于冲击塑性波的近距离传播特点，导致冲击加载点附近易产生过量塑性变形而失 效；或因塑性变形主要集中在冲击加载点附近，使相同冲击能量下，随试样( 构件) 薄弱 部位靠近冲击接点( 加载点) ，构件冲击疲劳寿命大大降低。( 3 ) 冲击应力波在构件中 的传播迭加作用随其传播距离增加而减小口i ，对冲击拉伸、弯曲的研究都证明：相同冲 击能量下，随试样工作部分( 截面尺寸最小处) 长度的增加，最大冲击应力减小，冲击寿 命大大延长【1 1 。材料在多冲载荷作用下，有明显不同于静疲劳的尺寸效应，缺口效应 比静疲劳大。( 4 ) 材料在多冲载荷下要发生一些独特的组织和性能的变化，如弹性模 量、弹性滞后环、屈服强度、应变硬化指数以及b a u s e h i r i g e r 效应等。在程度上甚至 性质上出现有别于一般静低周疲劳的变化， 多冲载荷下的行为和静疲劳行为存在差异， 1 2 2 多冲的研究发展状况 鉴于多冲载荷的上述特点，就使得材料在 同时也导致研究这些行为的复杂性。 多冲载荷具有反复作用性质，属多次冲击，对此问题的研究可追溯到上个世纪初。 s t a n t o n 和b a i r s t o w 最早涉足该领域，他们较深入考察了化学成分对铁素体珠光体钢 冲击破断周次的影响”。国内外对多次冲击问题的研究在上个世纪中叶比较活跃1 “。 其中l a y l a n d 对1 5 种典型结构钢在多冲载荷下的行为进行了考查，给出了每种材料的 冲击能量a 和破断周次n 间的关系曲线。周惠久等人系统、全面地对小能量多次冲 击破断问题进行了研究，并由试验得出了多种材料呈两两相交的a n ( 能量循环周次) 曲线。这一时期的研究主要集中在材料承受小能量多次冲击载荷时其整体的破断规 律。主要研究结论认为：多冲属于疲劳范畴，但也有其自身的特点。多冲寿命当冲击 能量极高时主要取决于材料的韧性，当冲击能量较低时则主要取决于材料的强度；冲 击应力在材料内部以波的形式传递，由于应力波的透射、反射并产生叠加，在有限尺 寸的材料内部将形成复杂应力；材料在多冲载荷下有明显不同于静疲劳的尺寸效应等 【l o l 。 人们注意到在多次冲击载荷下服役的零件，除了疲劳断裂，更为普遍的失效形式 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第一章绪论 是零件表面的疲劳磨损。w e l l i n g 、e n g e l 等人从1 9 6 9 年开始主要针对钢材进行了往复 多冲磨损的研究，探讨了基于实验的冲击磨损理论，给出了冲击载荷下的磨损量公式 1 1 - 1 3 。 黄明志、陈子文等人对改善多冲载荷下表面疲劳性能进行了一些研究。黄明志、 李森等在提高凿岩机活塞寿命问题的研究中，对高碳矾钢采取措施，使其未熔碳化物 做到颗粒小、数量少、均匀、圆度正好，即达到“小、少、圆、匀”要求后，活塞因 多次冲击接触疲劳引起的端面下凹现象得到了显著改善【1 4 l 。陈子文、陈新增等研究了 渗碳及热处理工艺与多冲接触疲劳性能之间的关系。主要研究结果：( 1 ) 多冲接触疲 劳与渗碳层深度之间具有一峰值关系。峰值所对应的渗碳层深度受应力状态、应力水 平、零件失效部位及尺寸等因素的支配；( 2 ) 渗碳件的二次淬火比一次淬火工艺有高 的多冲接触疲劳寿命。第二次淬火采用低温短时加热来代替传统的高温长时间加热， 多冲寿命有大幅度提高：( 3 ) 适当提高回火温度，把表面硬度控制h r c 5 8 6 0 时具 有最高的多冲寿命【1 研。 八十年代以后，国内外许多学者针对工程上非常突出的多次冲击滑动摩擦磨粒磨 损问题进行了较多的研究1 1 1 1 ，这些研究侧重于材料在冲击滑动条件下的耐磨性。仝 健民等通过实验指出，冲击磨料磨损机制可概括为两大类，一类是因磨料引起的切削 和凿削，另一类是因冲击变形导致的疲劳磨损。而疲劳磨损正是冲击磨料磨损的重要 机制【l ”。其失效特征为：磨面上有变形、开裂、剥落坑，亚表层显示疲劳裂纹，并形 成薄片状磨屑。 1 3 多冲零构件表面强化技术与研究现状 在多次冲击载荷作用下_ ：_ = 作的零构件，除了整体疲劳失效外，更为普遍的失效部 位是零件的表面，因为磨损、断裂、塑性变形等损伤和失效多发生在冲击接触表面或 从冲击表面引发裂纹，导致零构件失效。根据多冲载荷的特性和在其环境下工作的零 构件失效的特点，一般要求承受多冲载荷的零构件要外刚内柔，只有这样才能提高零 构件在多冲载荷下的工作寿命。为此人们对其表面进行强化处理进行了许多研究，并 大都通过以下两条途径： 1 表面改性。就是用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、 第一章绪论 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面改性技术主要有喷丸强化、表面热处 理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能 表面处理和离子注入表面改性等。 2 施加表面涂层。即在零件表面施加各种覆盖层，主要采用的各种涂层技术包括 电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、 搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延制膜、 离子束合成薄膜技术和激光熔覆等。 表面改性技术已有悠久的历史，我国早在战国时代已进行钢的淬火，使钢的表面 获得坚硬层。欧洲使用类似的技术也有很长的历史。但是，表面技术的迅速发展是从 1 9 世纪工业革命开始的，尤其是最近3 0 多年发展更为迅速。一方面人们在广泛使用和 不断试验的过程中积累了丰富的经验；另一方面自6 0 年代末形成的表面科学使表面 技术进入了一个新的发展时期 2 ”。 随着表面工程学科的兴起，人们很自然地想到采用涂层技术来提高零件的表面强 度。但大都是利用涂层的高硬度和高强度性能将该技术应用于磨损或冲击滑动磨损情 况【2 3 - 2 引。也有部分学者尝试采用表面强化涂层来抵抗多冲载荷 2 9 - 3 4 】。其中邵天敏等 对等离子喷涂涂层进行了冲击试验研究，并测试了在不同冲击能量下基体的冲击响应 频谱；李学敏对目前工程上使用较多的热喷涂薄膜进行了多次冲击试验，观察到冲击 载荷下热喷涂涂层的一些的塑性变形特点。王爱华等研究了铝合金表面激光熔覆 f e a l 青铜过渡区的组织结构及其在小能量多冲作用下的行为，其过渡区裂纹形成于 脆性相c u a i ：富集的区域，激光扫描速度对c u a h 相的分布厚度影响显著，进而影响 到过渡区的抗小能量多冲行为。石世宏教授将激光熔覆技术应用于典型的多冲条件下 服役的甲胺泵进排液阀零件p ”，结果表明其抗多冲能力和可靠性都有了明显提高。 总的说来，自上个世纪六、七十年代以后，对小能量多次冲击的研究越来越少， 而对强化涂层多冲失效的研究则基本没有开展。这与其广泛的工程应用背景是不相称 的。表面工程的发展，预示着抗多冲技术将有良好的前景，特别用激光熔覆等先进涂 层方法来抵抗多冲载荷很可能成为一种趋势。所以，逐步建立起含涂层的零件在多冲 载荷下的失效理论，研究其失效机理和失效的本质规律，用于在多冲载荷下零构件的 疲劳设计、强度分析与可靠性分析，以提高零构件的寿命和可靠性显得十分重要。 4 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第一章绪论 1 4 激光熔覆及涂层 1 4 1激光熔覆及涂层的性能特点 激光熔覆亦称为激光包覆或激光熔敷，它是利用高能激光束将预置于或同步送入 金属材料表面的合金粉末熔化，并使基材微熔一薄层，同时实现涂层和基材的冶金结 合，该涂层具有与原合金粉末相同的优异性能( 耐磨、耐蚀、抗氧化等) ，从而达到 表面改性或修复的目的，即满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重 金属”】。它是一种新型的材料加工与表面改性技术，涉及到物理、冶金、材料科学等 领域1 3 6 】。激光熔覆技术始于1 9 7 4 年，而兴起于8 0 年代，可以在低成本钢板上制成高 性能表面，代替大量高级合金，以节约贵重、稀有的金属材料，提高材料的综合性能， 降低能源消耗，适用于局部易磨损、冲击、剥蚀、氧化及腐蚀等零部件【3 ”。 与常规的表面涂层强化工艺相比较，激光熔覆涂层成分几乎不受基体成分的干扰 和影响，涂层厚度可以准确控制、涂层与基体的结合为冶金结合，十分牢固、稀释度 小、加热变形小、热作用区也1 1 i 4 , 、整个过程很容易实现在线自动控制等优点。其合 金具有组织致密、晶粒细小、与基体之间呈现冶金结合且基体几乎不发生变形等特点。 同时可以根据工况条件，选择所需要的合金成分，来满足硬度、耐磨性、耐蚀性等性 能要求。由于这一新技术具有巨大的潜力并可获得较大的经济效益，因此目前国内外 都非常重视激光熔覆的研究和应用 3 8 - 4 1 1 。 ( a ) 激光熔覆层( b ) 等离子喷焊层 ( c ) 火焰堆焊层 图1 一l = 种涂层上部s e m 形貌 如图i - 1 是激光熔覆、等离子喷焊、火焰堆焊三种工艺处理熔层上部的s e m ( 二 次电子像) 形貌图。按y b 2 7 7 7 标准测定，激光熔覆层组织细密均匀，晶粒度为1 卜1 2 5 第一章绪论激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应圈堕 级；等离子喷焊层组织粗大，晶粒度为9 一l o 级；火焰堆焊层的组织更加粗大，晶粒 度为8 - 9 级。 作为一种先进的表面涂层技术，激光熔覆与各种传统的堆焊、热喷涂、喷焊等制 各涂层的技术相比，堆焊、热喷涂、喷焊等制备的涂层，热作用时间长，热影响区变 形大( 如图1 2 所示) ，晶粒粗大，涂层稀释率大，组织疏松，各种缺陷、杂质较多， 致使涂层孔隙率大( 如图l 一4 和图1 5 所示) ，在冲击载荷作用下，这些缺陷极易 吸收冲击能量，引起裂纹，造成涂层失效；与之比较，激光熔覆涂层组织更致密，孔 隙率低，晶粒度更细小，同种材料的硬度和强韧性可更高，涂层成分被稀释率更小， 涂层各种缺陷更少，基体微熔并与涂层实现可靠的冶金结合，基体受热影响极小( 如 图1 3 所示) ，可在软基和低熔点材料基体上熔覆高熔点的强硬涂层，可对传统工艺 的焊具不能或难以接近的加工面进行非接触柔性加工，不象电子束那样需在真空环境 下加工等。 a ) 激光熔覆结合区 b ) 等离子喷焊结合区 图1 2 结合区比较 a ) 激光熔覆层下部 b ) 激光熔覆层上部 图1 - 3 激光熔覆涂层金相组织 6 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第一章绪论 a ) 等离子喷焊层下部b ) 等离子喷焊层上部 图卜4 等离子喷焊层金相组织 a ) 火焰堆焊层下部b ) 火焰堆焊层上部 图卜5 火焰堆焊层金相组织 所以从理论上来讲，激光熔覆方法及其涂层的上述一系列特性，也是非常适用于 多冲载荷及其涂层的制备的。但对于包括激光熔覆在内的先进涂层强化的零构件抗多 冲性能的研究在国内外极少见报道，现有相近的研究大都集中在涂层的耐磨损或冲 击滑动磨损研究上 4 3 - 4 7 】，国内仅有少数几篇关于激光熔覆与热喷涂薄膜层在多冲载荷 下的性能分析的报道【3 0 1 。在应用上，激光熔覆耐磨耐蚀或耐高温涂层在国外已在国防 和工业部门有较多的应用，国内激光熔覆的厚涂层已开始走出实验室，在汽轮机叶片、 高参数阀门、汽车发动机零构件上有效实施，部分应用于生产并取得了较好的效果。 随着高能束设备的不断成熟配套和理论上、工艺技术上的不断进步，先进涂层正在向 更多的应用领域扩展。 1 4 2 激光熔覆技术的发展 由于激光熔覆具有广阔的发展前景，潜力很大，经济效益可观，所以国内外纷纷 第一章绪论激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 投入人力、物力、财力等进行研究。早在7 0 年代术，美国a v c o 公司就对汽车发动 机许多易磨损件进行了激光熔覆的可行性研究，但由于当时大功率激光器尚未商业 化，未能使此技术得以真正推广应用，1 9 8 1 年以柬英国的r o l l s - - r o y c o 公司用激光 熔覆技术解决了燃气轮机叶片的磨损问题，与原用的r c 堆焊工艺相比，工时缩短了 l l 倍，金属粉末材料消耗减小了5 0 ，开辟了激光熔覆的新局面，稍后，p r a t t & w h i t n e y 公司亦采用激光涂覆技术制造叶片。但该公司不是用合金粉末，而是用合金片；将合 金片置于叶片的槽面口上，以c o ：激光辐射加热它，通过熔化的涂层合金加热基体的 嵌合面，并控制激光的功率和光斑运动，使整个槽口面的表面同时熔化，与合金涂层 实现冶金结合。 随着大功率的激光器的日益商业化，从而带动了激光熔覆技术的迅猛发展，加快 了此技术工业化应用的步伐。主要应用于航空航天、汽车领域中改善金属材料的耐磨 性、模具、轧辊等行业。 从理论上分析，具有激光涂层的这些特性的涂层是非常适合多冲的。目前激光 熔覆的耐磨、耐蚀、热障等涂层的研究较多并已在部分领域获得应用，但存在的问题 还表现在：如抗磨高硬金属基陶瓷涂层中容易产生凝固裂纹。许多国家对此问题已开 展了许多研究并在材料、工艺等方面采取了多项措旌来防裂和增韧，取得了显著效果 1 4 9 - s b 。高硬度是使激光涂层产生裂纹最主要的原因之一，但在现有技术控制下，对于 硬度不很高、无陶瓷复合相的涂层可较有效地避免裂纹，所以不能认为所有激光熔覆 层都容易开裂。多冲涂层表面并无明显剧烈的滑动摩擦，工作中它主要作法向接触碰 撞运动，所以对硬度要求远没有滑动摩擦面高，它主要要求强度与韧性的合理配合， 所以激光熔覆多冲涂层的裂纹一般是不会出现的。 1 5 课题的研究内容及方法 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 激光熔覆涂层在多冲载荷下的动态响应； ( 2 ) 激光熔覆涂层在多冲载荷下的损伤失效分析 ( 3 ) 典型抗多冲涂层零件有限元分析。 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第一毒绪论 1 5 2 研究方案 采用理论研究与实鸵并行，微舭分析j 宏脱建模丰 j 合的，j 法进行研究。 采1 1 j 激光熔覆方法，在常j 】i i + 程材料为，i i i ；体的试样上制备抗多i 、 j 合金涂j 。；，然 后在f i 制的多冲试验机上按i r 交分组进行多冲试验，采集试验数掘，并对数据进行分 析刈比；使用有限兀分析多冲的力学响应，并提出优化改进方案。 1 5 3 主要的实验设备和仪器 本课题主要在切削实验室、金相实验室、数控实验室、和精密测量实验室进行 试验。主要的仪器设备有：h g l 一9 0 型5 k wc 0 2 激光器，自制多冲碰撞试验机，电 火花线切割机床( d k 7 7 2 5 ) ，o l y m p u sg x 5 1 f 型显微镜，h x d 一1 0 0 0 b 型显微硬度仪， t e m h 一6 0 0 2 透射电镜，s e m - s - 5 7 0 扫描电镜，j x 6 8 3 0 2 0 0 大型工具湿微镜，x q 一2 型 金相镶嵌机，x t i 。一1 型体视显微镜，自制内窥镜，b s 2 0 1 s 型电子天平，t d s 3 0 0 0 系列 数字式荧光示波器，y e 5 8 5 2 型电荷放大器，c l y d 系列压电式力传感器。台式砂轮机 ( s 3 s t 一2 0 0 ) ，m 一2 型会相试样预磨机，p 一1 型抛光机。 1 5 4 课题来源 湖南省自然科学基金“机械零件激光熔覆层在多冲碰掩载倘下的失效行为研究” ( 0 2 。1 j y 2 0 7 2 ) 9 第二章激光涂层制备及多冲实验 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 第二章激光涂层制备及多冲实验 2 1 激光涂层制备 2 1 1 试样材料 试样由基体! j 涂层两部分组成：涂层为c o 基、i 基、f e 基王种自熔合会，基体 材料为_ t 程中应刖较多的l c r l 8 i 9 t j 、4 0 c r 和4 5 钢。涂层粉木粒度范围：一6 0 j4 0 目，其成分如表2 一l 所示。为了方便实验，把钴基涂层材料称为14 涂层材料，把镍 基涂层材料称为2 涂层材料，把铁基涂层材料称为3 4 涂层材料。把基体材料为 1 c r l 8 n i 9 t i 的试样编号为l x x ，基体材料为4 0 c r 的试样编号为4 x x ，基体材料为4 j 钢的试样编号为5 x x 。编号中的第一位数表示基体所用的材料，后两位数字只是为了 对相同参数的试样进行区别，没有特别意义。 表2 一l涂层成分 涂层成分( w t ) 组 牌号 cn ic rs ibc owm of e 1 w f c l 1 10 5 0 ，71 0 n 22 6 2 81 1 50 4 0 6 条 4 1 63 5 2n i 20 7 0 9 余 2 2 2 51 5 206 0 81 2 1 43 43 4 3 w f 1 3 6 cl ，1 12 8 3 01 4 门6 25 3 5 25 3 余 基体试样t = 乏j j 统一的形状标准，尺寸参数如斟2 l 所示，j j i l t 完毕后，j j 酒精 清沈基体表嘶的油垢，月烘f ，然后放置丁 燥r 备用。 ( 1 j 1 6 叶 扩， l 。1 图2 - 1 基体形状参数( 单位m m ) 杪 欺 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第二章激戋鎏垦塑量及多；主翌童 2 1 2 涂层的激光熔覆 激光熔覆设备为h g l 9 0 型5 k w c 0 2 横流激光器，熔覆工艺参数为：激光器输 出光束波长为1 0 6 u m ，激光功率：3 4 5 k w ， i 描速度v = 8 2 0 m m s ，光斑随径= 书3 8 r a m ，激光模式为多模。导光系统由光闸，反射镜组成( 如图2 - - 2 所示) 。加保妒气 体，处理方式采用单道熔覆。后处理回火温度为2 0 0 。c 4 0 0 。c ，涂层全部经过探伤检 验。 工住台 图2 - 2 激光熔覆系统示意图 实验巾选用两种试样的外形：一种是涂层部分覆盖基体的试样如图2 - - 3 a ) 所示： 另外将熔覆后的试样进行加工，将激光熔覆涂层在磨床上磨出一平面后再进行研麽使 涂层表面 h 糙度达r a0 2 。另一种是用电火花线切割机将一部分相同的涂层部分覆盖 基体试样沿涂层边界切割基体，使试样涂层完伞覆盖基体如图2 3 b ) 所示： 涂层： 基体 a ) 部分覆盖b ) 全覆盖 图2 3 涂层覆盖基体的两种形式 第二章激光涂层制备及多冲实验 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学晌应研究 在本实验的试样f ：，涂层表i f f 较光滑、卜整。涂层表衙苄h 糙度达到r a 6 3 。j 玎x 射线 探伤仪对激光熔覆涂层扪照探伤，来发现缺陷。据实验结果统计，激光涂层消除裂纹、 气孔、央杂物等缺陷的成品率可大于9 5 。激光熔覆涂层表面磨平后厚度在0 j 3m m 之洲。 2 2 激光涂层组织与性能检验 2 2 1 涂层与基体组织 图2 3 是激光熔覆工艺处理的涂层微观组织形貌扫描电镜图，沿加工面垂直方 向可分为熔化区、互熔结合区、基体i 个区域。从互熔结合区看，图2 3 中所示激 光涂层与基体问有一细小白亮结合带，其带宽约为1 0 3 叽m 。因为在高能激光束快 速扫描时，涂层瞬间熔化并形成熔池，通过熔体传给基体表面的热量使表面薄层微熔 并与涂层合金形成牢固的冶金结合。控制好能量密度与扫描速度，可使涂层与基体不 但牢固结合，互熔区小，而且对基体热影响小。 削20 馓光熔覆层嘟m l 绵合b 形貌 图2 4 为激光工艺处理的涂层底部、中部和上部的金相组织形貌图，可见激光涂 层以枝晶状显微组织为主，其组织细密均匀，品粒度测定为l o 1 2 级。激光束能量 高而集中，作用时间短而使熔覆层有较大的过热、过冷度。过冷度大，熔池中的合会 元素能迅速地形成多种化合物而增加非自发晶核的数量，使形核率大大提高，因而可 形成细小均匀的显微组织。组织细密能提高晶界结合力和抗腐蚀能力，增加熔涂层的 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第二章激光涂屋制备及多冲9 1 堕 强韧性。x 射线衍射仪对熔涂层的物榭分析说l 蝈：激光熔涂层，1 i 成了多种碳化物、硼 化物、铬化物等多元共品化合物，具仃更为复杂的十u 结构。这种组织1 j 物相结构对熔 涂层的硬度、强韧性、耐磨和耐腐蚀性能是仃利的1 ，f 司时对抗多冲件能也是非常有 利的。 a ) 涂层底部组织b ) 涂层中部组织c ) 涂层上部组织 图2 - 4 激光涂层断面微观组织 2 2 2 涂层的性能 经测试，激光熔覆工艺得到的涂层平均显微硬度比等离子喷焊层高2 0 4 0 。用 一台m m 2 0 0 型磨损试验机，对涂层材料为n i 基合金粉，基体材料为1 c r l 8 n i 9 t i 的激 光熔覆和同种材料加工的等离子喷焊样品进行了耐磨性能的对比测试。测试条件为： 二种试样各取四片，两片为一组。激光或等离子试样固定不动，对磨件( 材料为g c r l 5 ) 转速4 0 0 转分，硬度h r c 6 0 ，载荷3 0 k g ，磨损时问为4 小时或8 小时。用干分之一测 量显微镜测量磨痕宽度，也取每组平均值。从表2 2 中可得出( 其中：l 为激光熔覆试 样，l ，为等高于喷焊试样) ：激光熔覆试样比等离子喷焊试样的抗磨损度商6 倍。 太2 - 2 磨损测试结果 试样时问( h )磨损皮( g )磨损宽度( m m ) l l 40 0 0 0 20 7 3 8 p i 40 0 0 l ：j1 4 3 2 5 l 280 0 0 0 30 8 6 5 p 2 80 0 0 1 81 7 1 9 在h x d 一1 0 0 0 b 型显微硬度仪上，可以测得试样的原始硬度，部分试样涂层和基体 的原始硬度如表2 3 中所示： 1 3 第二章激光涂屡制备及多冲实验激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学晌应研究 农2 - 3 试样原始硬度 距表i 丽距离m m 0 10 ：o 5o 70 9l l 1 3l5 l7 硬度i i v 。 1 3 ：j 原始硬度 4 9 45 0 65 1 9j 1 3 5 2 5 4 9 44 9 4 4 6 54 5 4 1 0 7 原始硬度 4 9 54 9 84 8 42 3 62 3 5 l g l 原始艘度 4 5 l4 ： 94 3 84 2 34 1 24 0 2 4 0 4原始硬度5 5 85 3 6 蕊l5 2 l5 2 95 3 65 1 05 0 25 3 2 5 0 l 原始硬度 4 8 44 8 04 9 6 4 9 34 7 84 8 l 4 5 5 对钴基、镍基和铁基三种涂层材料在万能材料试验机：作静压试验，结果如图2 i 所示。 s t r a i ne m m m 一1 a ) 钴基涂层抗静乐强度测定b )镍基涂层抗静压强度测定 s t m ne m - m 一1 c )铁摹滁层抗静乐强度测定 削2 - 5 涂层静压倒服强度曲线 如图2 - 5 a ) 巾没有发现明显的屈服点，通过对曲线的修正，钴基涂层的强度极限 为o 。= 1 6 6 1 m p a ，由图2 5 b ) 可以得到镍基涂层的强度极限为o 。：1 6 1 3 m p a ，由图2 5 c ) 蓦| | 墓 一 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学晌应研究第二章激光涂层制备及多冲实验 可以得到铁基涂层的强度极限为0 。= 1 3 2 4 m p a 。按0 2 的塑性变形量可推算出钻基涂 层、镍基涂层和铁基涂层的条件屈服极限分别为1 0 7 7 m p a 、1 1 5 2 m p a 和9 6 5 m p a ：此外， 三种基体材料1 c r l 8 n j 9 t i 、d 5 4 钢和4 0 c r 的静强度与硬度如表2 4 所示： 表2 4 基体材料静强度与硬度 材料型号 o o2 ( m p a )6 b ( m p a ) h r c 1 c r l 8 n i 9 t i2 0 55 2 0h v 2 0 5 4 5 钢3 5 56 0 0h b 2 3 6 4 0 c t7 8 59 8 0h b 3 2 4 2 3 多冲试验机 本文所研究的是多冲载荷，与冲击拉伸、冲击弯曲载荷机理不同，故本文中冲击 试验机与冲击拉伸、冲击弯曲、冲击磨损疲劳试验机不同。为了满足多次冲击疲劳实 验的需要，利用一台已有的曲柄压力机( j 2 3 1 6 型) 改装成一台多冲疲劳试验机，使之 满足多冲载荷试验的需要。 2 3 1试验机的设计改造方案 曲柄压力机的型号为j 2 3 一1 6 ，其主要参数如下： 公称压力：1 6 吨； 发生公称压力时滑块离下死点距离：5 r a m ： 滑块行程( 固定行程) ：7 0 m m ； 标准行程次数( 不少于) ：1i5 次分： 滑块中心到机身距离( 喉深) ：1 6 0 m m ； 工作台尺寸；4 5 0 x 3 0 0 m m ： 电动机功率：1 5k w ： 工作时的循环能量：4 5 0 焦转。 曲柄压力机的最大承受力有】6 吨力，考虑到压力机的工作原理，是在蓄积飞轮的 能量后才有这样大的压力的，此压力机的工作循环次数不少于1 1 5 次分，将冲击频 1 5 第二章激光涂层制备及多冲实验激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 率设计到2 8 h z ，这样充分利用曲柄压力机的动力源，并且不会破坏压力机的总体承 载性能。压力机滑块行程( 固定行程) ：7 0 r a m ，因此选弹簧时可以用足够长的弹簧， 且可以将弹簧的力控制部分布置在弹簧的压缩行程中。 此外，还要考虑到实验时的试样要求的模拟工况下的压力等条件。实验用的试样 做成圆柱状，并在上端碰撞接触面采用激光熔覆涂层以提高试样的寿命，按试样设计 每次的冲击总能量约为4 8j ，这样设计弹簧释放能量约为4 0 j 左右。有这个约束条件 的限制，就基本上确定了这一方案的设计总参数： ( 1 ) 弹簧的释放能量：4 0j ； ( 2 ) 工作频率：2 8h z 。 试验机原理见图2 7 。本试验机设计可一次同时对四个工件做实验，冲击频率为 2 8 h z ，利用光电传感器和计数器来完成冲次数的计数工作。曲柄压力机经过改造， 其中的多冲装置简图如图2 8 所示。 图2 7 试验机原理图图2 8 冲击疲劳试验机简图 2 3 2 伺服冲击智能控制系统 压力机的改装目的是要实现连续冲击。为了让试验机实现规定次数的冲击，同时 也为了方便实现在线观测，采用h b 7 2 光感计数器( 最大计数速度为1 0 0 0 0 次秒，有 效测量距离是1 5 m m ) 。其工作原理是：先设定计数器的冲击次数，当计数器达到设定 的数值时，与计数器在同一回路的继电器常开开关将关闭，从而实现停机。h b 7 2 光感 计数器的主要参数： 供电电源：a c 2 2 0 v 1 0 整机功耗：小于3 v a 激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究第二章激光涂层制备及多冲实验 触点寿命：l o 万次 外形尺寸：7 2 7 2 1 1 2 r a m 2 3 3 实验数据的采集和标定 触点容量：a c2 2 0 v ；d c2 4 v5 a 工作温度：o 4 0 为了定性的评价涂层的抗冲击性能，不仅要知道材料承受的冲击次数，而且冲击 力的大小也是一个不可缺少的物理量。这样，在相同的冲击力下，一方面可以比较材 料的抗冲击特性，另一方面，为进一步的力学计算和建立物理模型奠定基础。 图2 - 9 冲击试验机的数据采集系统 a ) 冲击载荷谱步长b ) 冲击峰值大小 图21 0 冲击载荷谱 采用c l y d 系列压电式力传感器、y e 5 8 5 2 型电荷放大器、t d s 3 0 0 0 系列 多功能数字式荧光示波器及计算机来实现冲击力实验数据的采集( 如图2 9 所示) 。 设定冲头的冲程，当冲击疲劳试验机开始工作时，冲头冲击压电式传感器，传感器产 生相应的感应电荷，电荷流经电荷放大器时被成比例放大，放大的电荷传入示波器， 此时示波器就显示出相应的电流波形，通过屏幕拷贝存入电脑。利用示波器的屏幕锁 定功能，可以得到屏幕中波形最大的单波波形放大示意图，拷贝后转存到电脑，载荷 1 7 第二章激光涂层制备及多冲实验激光涂层在多冲载荷下的损伤失效及力学响应研究 谱见图2 一l o 所示。经过多次调节弹簧压缩量，可以得到不同弹簧压缩量下的电流波 形。根据传感器所产生电荷的电压( 示波器上显示电压的最大值减去漂移值，得到换 算电压) 与力的换算关系，可以简单准确的通过波形测出碰撞时撞击力的大小。 为了方便后续冲击实验的顺利进行，需要测定弹簧不同压